(57)【要約】      （修正有）【課題】改質器を構成する熱源部及び改質反応部の溶接性を向上させて、燃料電池システムに使用されるマイクロ改質器を提供する。【解決手段】水素を含む液体の燃料及び水の混合燃料を改質して、水素が豊富な改質ガスを発生させる燃料電池用改質器３０において、前記混合燃料を気化させる熱を供給する熱源部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる熱源部３１；及び前記熱による化学触媒反応によって前記混合燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる改質反応部３２;を含み、前記熱源部３１及び改質反応部３２のうちの少なくともいずれか一つは、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を含んでなる。【選択図】図２
2006012817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む液体の燃料及び水の混合燃料を改質して、水素が豊富な改質ガスを発生させる燃料電池用改質器において、前記混合燃料を気化させる熱を供給する熱源部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる熱源部;及び
前記熱による化学触媒反応によって前記混合燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる改質反応部を含み、
前記熱源部及び改質反応部のうちの少なくともいずれか一つは、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を含んでなることを特徴とする燃料電池用改質器。
【請求項２】
前記保護膜形成可能金属は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びＺｒを含んでなる群から少なくとも一つ選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項３】
前記機械的強度向上金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｇを含んでなる群から少なくとも一つ選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項４】
前記保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金は、Ａｌ及びＦｅの合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項５】
前記Ａｌ及びＦｅの合金比率は１０:９０乃至９０:１０の重量比であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池用改質器。
【請求項６】
前記流路は、前記混合燃料が流入されるようにする流入口、及び前記改質反応を経て生成された改質ガスが流出されるようにする流出口を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項７】
前記改質器は、積層形構造または円筒形構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項８】
前記改質器は、前記熱源部及び改質反応部を互いに溶接して一体化してなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項９】
前記熱源部及び改質反応部の流路は、非結晶性酸化物を含む触媒支持層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１０】
前記熱源部は、前記流路に接触設置されて、前記流路を加熱するヒーティング部材をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１１】
前記改質器は、前記流路に連結設置されて、前記改質部によって生成された改質ガスから一酸化炭素を除去する少なくとも一つの一酸化炭素低減部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１２】
燃料及びオキシダントの電気化学的な反応によって電気を発生させるスタック;
水素を含む液体の燃料及び水の混合燃料を気化させて、前記気化された流体を改質して水素ガスを発生させる改質器;
前記改質器に混合燃料を供給する燃料供給部;及び
前記スタックに外部空気を供給するオキシダント供給部を含み、
前記改質器は、前記混合燃料を気化させる熱を供給する熱源部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる熱源部;及び
前記熱による化学触媒反応によって前記混合燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる改質反応部を含み、
前記熱源部及び改質反応部のうちの少なくともいずれか一つは、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金からなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
前記保護膜形成可能金属は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びＺｒを含んでなる群から少なくとも一つ選択されることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記機械的強度向上金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｇを含んでなる群から少なくとも一つ選択されることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金は、Ａｌ及びＦｅの合金を含んでなることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記Ａｌ及びＦｅの合金比率は１０:９０乃至９０:１０の重量比であることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記流路は、前記混合燃料が流入されるようにする流入口、及び前記改質反応を経て生成された改質ガスが流出されるようにする流出口を有することを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記改質器は、積層形構造または円筒形構造であることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記改質器は、前記熱源部及び改質反応部を互いに溶接して一体化してなることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記熱源部及び改質反応部の流路は、非結晶性酸化物を含む触媒支持層を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記熱源部は、前記流路に接触設置されて、前記流路を加熱するヒーティング部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記改質器は、前記流路に連結設置されて、前記改質部によって生成された改質ガスから一酸化炭素を除去する少なくとも一つの一酸化炭素低減部をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池方式からなることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、溶接性を向上させて、酸化物皮膜形成による触媒との接着性を増進させることができるように熱源部及び改質反応部のうちの少なくとも一つが保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を含んでなる燃料電池用改質器及びこれを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、メタノール、エタノール、または天然ガスなど炭化水素系の有機燃料内に含まれている水素を燃料として、電気化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに直接変化させる発電システムである。有機燃料の高い比エネルギー（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅｒｇｙ）（例えば、メタノールの比エネルギーは６２３２ｗｈ/ｋｇである）のために、有機燃料を使用する燃料電池は、設置または携帯の両面で非常に魅力的である。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）の種類によって、大きくアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、及び高分子燃料電池に分類されている。前記様々な種類の燃料電池の中でも、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、高分子が電解質として使用されるため、電解質による腐蝕や蒸発の危険がなく、単位面積当りで高い電流密度（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）を得ることができ、他の燃料電池に比べて出力特性が非常に高く、作動温度が低くいので、現在自動車などの移動用（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）電源、住宅や公共建物などの分散用電源、及び電子機器用などの小型電源に使用するために、これに対する開発が活発に行われている。
【０００４】
このような高分子電解質型燃料電池が基本的なシステム構成を備えるためには、スタック（ｓｔａｃｋ）と呼ばれる燃料電池本体（以下、便宜上、スタックと称する。）、燃料タンク、及びこの燃料タンクから前記スタックに燃料を供給するための燃料ポンプなどが必要である。そして、燃料タンクに保存された燃料をスタックに供給する過程に、燃料を改質して水素ガスを発生させて、その水素ガスをスタックに供給する改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）がさらに含まれる。従って、高分子電解質型燃料電池は、燃料ポンプのポンピング力によって燃料タンクに保存された燃料を改質器に供給し、改質器が燃料を改質して水素ガスを発生させて、スタックが水素ガス及び酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生産する。
【０００５】
この時、燃料電池は、液体のメタノール燃料を直接スタックに供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）方式を採用することもできる。このような直接メタノール型燃料方式の燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは異なり、改質器が不必要である。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜/電極接合体（ＭＥＡ）及びセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）（またはバイポーラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）ともいう）からなる単位セルが数個乃至数十個積層された構造からなっている。膜/電極接合体は、電解質膜を間に置いて、アノード電極（または燃料極または酸化電極という）及びカソード電極（または空気極または還元電極という）が付着された構造からなっている。そして、バイポーラプレートは、燃料電池の反応に必要な水素ガス及び酸素が供給される通路の役割と、各膜/電極接合体のアノード電極及びカソード電極を直列に接続する伝導体の役割とを同時に果たす。従って、バイポーラプレートによってアノード電極には水素ガスが供給される反面、カソード電極には酸素が供給される。この過程で、アノード電極では水素ガスの電気化学的な酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の電気化学的な還元が反応が起こって、この時に生成される電子の移動によって電気、熱、そして水を同時に得ることができる。
【０００７】
一方、高分子電解質型燃料電池システムに使用される改質器は、水素を含む燃料及び水を改質してスタックの電気生成に必要な水素ガスに転換するだけでなく、燃料電池を被毒させて寿命を短縮させる一酸化炭素のような有害物質を除去する装置である。通常、前記改質器は、燃料を改質する改質反応部、及び一酸化炭素を除去する一酸化炭素低減（除去）部を含む。改質反応部は、燃料を水蒸気改質、部分酸化、自熱反応などの触媒反応によって前記燃料を水素が豊富な改質ガスに転換する。一酸化炭素低減（除去）部は、水性ガスシフト反応（ＷＧＳ）、選択的酸化反応（ＰＲＯＸ）などのような触媒反応または分離膜を利用した水素精製などの方法で改質ガスから一酸化炭素を除去する。
【０００８】
前記改質器は、熱エネルギーによる化学触媒反応によって水素を含む燃料から水素ガスを発生させる装置である。通常、前記改質器は、前記熱エネルギーを発生させる熱源部、前記熱エネルギーを利用して前記燃料から水素ガスを発生させる改質反応部、及び前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素除去部を含む。
【０００９】
従来の燃料電池システムの改質器において、 特に改質反応部は、所定の反応器に液体の燃料及び水の混合燃料を改質するための改質触媒層を形成した構造からなっている。従って、改質反応部は、外部から所定の熱の伝達を受けて改質触媒層を通じた改質触媒反応によって前記混合燃料から水素が豊富な改質ガスを発生させるようになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、溶接性を向上させて、酸化物皮膜形成によって触媒との接着性を向上させることができる保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を基材に含む、燃料電池システムに使用されるマイクロ改質器を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記改質器を利用した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明は、前記混合燃料を気化させる熱を供給する熱源部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる熱源部;及び前記熱による化学触媒反応によって前記混合燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる改質反応部を含み、前記熱源部及び改質反応部のうちの少なくともいずれか一つは、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金からなることを特徴とする、燃料電池用改質器を提供する。
【００１２】
また、本発明は、燃料及びオキシダント(ｏｘｉｄａｎｔ)の電気化学的な反応によって電気を発生させるスタック;水素を含む液体の燃料及び水の混合燃料を気化させて、前記気化された流体を改質して水素ガスを発生させる改質器;前記改質器に混合燃料を供給する燃料供給部;及び前記スタックに外部空気を供給するオキシダント(ｏｘｉｄａｎｔ)供給部;を含み、前記改質器は、前記混合燃料を気化させる熱を供給する熱源部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる熱源部;及び前記熱による化学触媒反応によって前記混合燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であって、前記混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内面に触媒層が形成されてなる改質反応部;を含み、前記熱源部及び改質反応部のうちの少なくともいずれか一つは、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金からなることを特徴とする、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、燃料電池システムの改質器の材料として、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を使用して、従来の純粋なＡｌに比べて溶接性が向上する長所があり、酸化物皮膜形成による触媒との接着性を増進させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を使用して、溶接性を向上させて、酸化物皮膜形成によって基材及び触媒の結着力を増進させることができる、燃料電池システムの改質器及びこれを利用した燃料電池システムを提供するという特徴がある。
【００１５】
本発明の改質器はマイクロ改質器であり、熱源部及び改質反応部の基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）のうちの少なくともいずれか一つとして保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金を使用すると、純粋なＡｌに比べて溶接性が向上する長所がある。
【００１６】
前記保護膜形成可能金属とは、陽極酸化処理（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）によって効果的な保護膜を形成することができる金属を意味する。前記保護膜形成可能金属は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びＺｒを含む群から選択される少なくとも一つの金属であるのが好ましく、より好ましくはＡｌである。前記機械的強度向上金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｇを含む群から選択される少なくとも一つの金属であるのが好ましく、より好ましくはＦｅである。
【００１７】
前記保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金は、Ａｌ及びＦｅの合金を含むのがより好ましい。最も好ましくは、熱源部及び改質反応部の全てがＡｌ及びＦｅの合金からなることである。
【００１８】
本発明の熱源部及び改質反応部のうちの少なくともいずれか一つがＡｌ及びＦｅの合金からなる場合、もう一つはシリコン、ガラス、またはステンレスから選択されるいずれか一つの素材からなることができる。また、本発明によれば、前記Ａｌ及びＦｅ以外に少量のＣｒを添加した合金を使用することもできる。
【００１９】
前記Ａｌ及びＦｅの合金比率は１０:９０乃至９０:１０の重量比であるのが好ましく、その合金比率が前記範囲未満であれば、アルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ）のような非結晶性酸化物を含む触媒支持層を形成するのが難しいという問題点があり、前記範囲を超えれば、改質反応器の機械的強度が低下するという問題点がある。
このような本発明の改質器の熱源部及び改質反応部は、互いに積層された構造からなっている。
【００２０】
また、本発明は、熱源部及び改質反応部の流路を除いた部分を予め溶接して改質器を形成した後、これを酸素雰囲気下で高温熱処理して、流路部分に非結晶性酸化膜、好ましくはＡｌの酸化によるアルミナを含む触媒支持層を形成することによって、触媒のローディング後にセラミック触媒及び基材の間の結着力の向上を図ることができる。この時、前記熱処理条件は特に限定されないが、好ましくは４００℃乃至８００℃、最も好ましくは６００℃である。つまり、前記熱源部及び改質反応部の流路は、高温熱処理後、非結晶性酸化物を含む触媒支持層を含んでいる。
【００２１】
前記改質器は、前記水素ガスの流動を可能にする流路及びこの流路の内表面に触媒層を形成する反応基板を有しており、前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部をさらに含むことができる。前記一酸化炭素低減部は、前記熱源部及び改質反応部と積層されて配置されることもでき、前記改質反応部の流出口と連結されるように別途に設置することもできる。
【００２２】
具体的に、本発明の改質器は、発熱部及び吸熱部に区分できるが、前記熱源部は、燃料及び空気の酸化触媒反応を誘導して燃焼熱を発生させる発熱部であり、改質反応部は、前記燃焼熱の伝達を受けて燃料の改質触媒反応を誘導して水素ガスを発生させる吸熱部である。前記発熱部は、改質器の温度を高めて水蒸気改質（ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）反応に必要な熱を供給する役割を果たす。
【００２３】
本発明による燃料電池システムの改質器において、前記流路は、水素を含む液体の燃料及び水の混合燃料が流入されるようにする流入口、及び前記改質反応によって生成された改質ガスが流出されるようにする流出口を有している。
【００２４】
そして、本発明による燃料電池システムの改質器において、前記熱源部は、前記流路に接触設置されて、前記流路を加熱するヒーティング部材をさらに含むことができ、前記ヒーティング部材は、前記流路に接触するヒーティングプレート、前記ヒーティングプレートに内蔵された熱線を含むことができ、前記ヒーティングプレートに前記流路に対応する対応溝が形成されるのが好ましい。この場合、前記流路は蛇行形状（ジグザグ）に屈曲して形成されることができる。
【００２５】
そして、前記熱源部に含まれる燃焼反応器の内部に形成された流路は、通常の方法によって形成することができ、その流路の内表面及び触媒層の間には、支持層が配置されて、前記触媒層を支持することができる。前記熱源部の触媒としては、貴金属類、例えばＰｔ/Ｒｕなどが主に使用されるが、特にこれに限定されるわけではない。
【００２６】
また、前記改質反応部は、内部に通常の方法で形成される流路を備えており、その流路の内表面には、支持層及び触媒層を含むことができる。前記改質反応部の触媒としては、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｕ/Ｚｎなどが主に使用されるが、特にこれに限定されるわけではない。
【００２７】
本発明で、前記熱源部及び改質反応部の材質が全てＡｌ及びＦｅの合金からなる場合には、別途の過程で触媒支持層を形成しなくても酸化によって触媒支持層であるアルミナ皮膜層を形成することができる。また、本発明で、熱源部及び改質反応部のうちの少なくとも一つがＡｌ及びＦｅの合金からなる場合にも、別途の過程で触媒支持層を形成しなくても酸化によって支持層であるアルミナ皮膜層を形成することができ、この時、もう一つはアルミナ、シリカ、またはチタニアから選択されるいずれか一つの素材からなる支持層を含むのが好ましい。
【００２８】
前記熱源部及び改質反応部を含む改質器の形態は、所定の長さ、幅、及び厚さを有するほぼ四角形または円形のチューブであるが、特にこの形態に限定されるわけではない。
本発明の改質器は、前記熱源部及び改質反応部を互いに溶接して一体化することによって、燃料電池用改質器を完成することができる。
【００２９】
また、本発明は、前記改質器を採用した燃料電池システムであって、燃料及びオキシダント(ｏｘｉｄａｎｔ)の電気化学的な反応によって電気を発生させるスタック;水素を含む液体の燃料及び水の混合燃料を気化させて、前記気化された流体を改質して水素ガスを発生させる前記本発明の改質器;前記改質器に混合燃料を供給する燃料供給部;及び前記スタックに外部空気を供給するオキシダント(ｏｘｉｄａｎｔ)供給部;を含む燃料電池システムを提供する。
【００３０】
つまり、本発明の一実施例による燃料電池システムの改質器は、前記燃料及び空気の混合燃料が通過する所定の長さの流路を備えているとともに前記流路の内表面に触媒層が形成されている燃焼反応器本体;混合燃料を気化させる熱を供給する熱源部;及び前記熱によって燃料及び水の水蒸気改質反応によって水素を生成する改質反応部であって、前記燃料及び空気の混合燃料が通過する所定の長さの流路を備え、前記流路の内表面に触媒層が形成されてなる改質反応部;を含んでいる。特に、前記熱源部及び改質反応部は、積層構造または円筒形構造からなることができるが、好ましくは互いに積層された構造からなっている。また、前記熱源部及び改質反応部のうちの少なくとも一つは、前記保護膜形成可能金属及び機械的強度向上金属の合金からなっている。
【００３１】
本発明による燃料電池システムにおいて、前記燃料供給部は、水素を含む液体の燃料を保存する第１タンク、水を保存する第２タンク、前記第１及び第２タンクに連結設置されている燃料ポンプを含み、前記空気供給部は、外部空気を吸入する空気ポンプを含むことができる。
【００３２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相異した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。
【００３３】
図１は本発明の一実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
本発明による燃料電池システム１００において、電気を生成するための燃料とは、メタノール、エタノール、または天然ガスのように水素を含む狭義の燃料以外に、水及び酸素が広義の燃料としてさらに含まれる。好ましくはメタノールを使用することができる。しかし、以下で説明する燃料は、前記狭義の燃料で、便宜上、液体の燃料であると定義し、液体の燃料及び水を混合燃料であると定義する。
【００３４】
そして、本システム１００は、前記燃料に含まれた水素と反応する酸素として、別途の保存手段に保存された純粋な酸素ガスを使用することができ、酸素を含む空気をそのまま使用することもできる。尚、以下では、酸素として空気を使用する後者の例を説明する。
【００３５】
図１に示すように、本発明による燃料電池システム１００は、基本的に前記混合燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器３０、改質器３０によって生成された水素ガス及び外部空気の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換して電気を生産するスタック１０、前記混合燃料を改質器３０に供給する燃料供給部５０、外部空気をスタック１０に供給する空気供給部７０を含んで構成されている。
【００３６】
このような本発明による燃料電池システムは、改質器３０を通じて前記水素ガスを生成し、この水素ガスをスタック１０に供給して、水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を採用する。
【００３７】
前記燃料供給部５０は、改質器３０と連結設置されているもので、従来のような燃料ポンプが排除された構造からなっている。つまり、燃料供給部５０は、水素を含む液体の燃料を保存する第１タンク５１、及び水を保存する第２タンク５３を備え、前記第１タンク及び第２タンクは、燃料ポンプ５５に各々連結設置されている。この時、燃料供給部５０及び改質器３０は第１供給ライン８１及び第３供給ライン８３によって連結設置されている。
【００３８】
そして、空気供給部７０は、スタック１０と連結設置されるもので、所定のポンピング力で外部空気を吸入する空気ポンプ７１を備えている。この時、スタック１０及び空気供給部７０は第６供給ライン８６によって連結設置されることができる。また、本実施例による改質器３０は、液体の燃料及び空気の触媒酸化燃焼を誘導して燃焼熱を発生させる熱源部３１、及び前記混合燃料を改質して水素ガスを生成させる改質反応部３２を含んでいる。
また、前記改質器は、前記水素ガスから一酸化炭素を積極的に除去することができる少なくとも一つの一酸化炭素低減部３３、３４を含むことができる。
【００３９】
図２は図１に示した改質器の構造を示した分解斜視図である。
図１及び図２に示すように、本発明に適用される改質器３０は、通常の熱エネルギーによる化学触媒反応によって前記混合燃料を改質して水素ガスを発生させると同時に、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させることができる構造からなっている。このような改質器３０は、例えば水蒸気改質、部分酸化、または自熱反応などの触媒反応によって液体の燃料から水素ガスを発生させる。そして、改質器３０は、例えば水性ガス転換方法、選択的酸化方法などのような触媒反応または分離膜を利用した水素精製などの方法で前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させることもできる。
【００４０】
このような改質器３０は、前記化学触媒反応に必要な熱を発生させる熱源部３１、熱源部３１から発生する熱を吸熱して、前記混合燃料を気化させて、水蒸気改質（ＳＲ）触媒反応によって前記気化された混合燃料から水素ガスを発生させる改質反応部３２を含んでいる。そして、改質器３０は、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部３３、３４を含むこともできる。一例として、前記一酸化炭素低減部３３、３４は、水性ガス転換（ＷＧＳ）触媒反応によって前記水素ガスからさらに水素ガスを発生させて、その水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる第１一酸化炭素低減部３３、及び選択的酸化（ＰＲＯＸ）触媒反応によって前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる第２一酸化炭素低減部３４を含むことができる。
【００４１】
本実施例では、前記改質器３０は、熱源部３１、改質反応部３２、及び一酸化炭素低減部３３、３４がプレート状からなり、これらが互いに積層された構造からなっている。つまり、熱源部３１の上側に改質反応部３２及び第１一酸化炭素低減部３３を順次に積層し、熱源部３１の下側に第２一酸化炭素低減部３４を積層して、前記改質器３０を構成することができる。そして、改質器３０の最上側に位置する第１一酸化炭素低減部３３の上面には蓋部３５が結合されることができる。
【００４２】
代案として、本発明による改質器３０は、熱源部３１から発生する熱エネルギーを利用して前記混合燃料を気化させるための気化部（図示せず）を、熱源部３１及び改質反応部３２の間に別途に配置することもできる。しかし、本実施例では、前記気化部を排除して、熱源部３１から発生する熱エネルギーを利用して改質反応部３２で前記混合燃料を気化させる例を説明する。
【００４３】
このような改質器３０において、熱源部３１は、水素ガスの生成に必要な熱エネルギーを発生させる発熱部分であって、液体の燃料及び空気を酸化触媒反応によって燃焼させる反応基板３１ａを含んでいる。このために、前記反応基板３１ａは、燃料及び空気の流動を可能にする流路チャンネル３１ｃを有しているとともにこの流路チャンネル３１ｃに触媒層を形成している本体３１ｂを備えている。ここで、前記触媒層は、燃料及び空気の酸化反応を促進する通常の酸化触媒層を含む。そして、流路チャンネル３１ｃの内表面及び触媒層の間には、触媒層を支持する支持層を備えている。前記流路チャンネル３１ｃは、本体３１ｂの一面に対して始端及び末端を有し、一例として、その始端に前記液体の燃料及び空気が流入される流入口３１ｆを形成し、末端に前記液体の燃料及び空気の燃焼ガスが流出される流出口３１ｇを形成している。尚、前記流入口３１ｆ及び燃料供給源５０の第１タンク５１は管路状の第１供給ライン８１によって連結され、流入口３１ｆ及び酸素供給源７０の空気ポンプ７１は管路状の第２供給ライン８２によって連結されている。
【００４４】
前記改質反応部３２は、熱源部３１から発生する熱を吸熱して混合燃料を気化させて、水蒸気改質（ＳＲ）触媒反応によって前記気化された混合燃料から水素ガスを発生させる反応基板３２ａを含んでいる。このために、前記反応基板３２ａは、混合燃料の流動を可能にする流路チャンネル３２ｃを有しているとともにこの流路チャンネル３２ｃに触媒層を形成している本体３２ｂを備えている。ここで、前記触媒層は、混合燃料の水蒸気改質反応を促進する通常の改質触媒層を含む。そして、流路チャンネル３２ｃの内表面及び触媒層の間には、触媒層を支持する支持層を備えている。前記流路チャンネル３２ｃは、本体３２ｂの一面に対して始端及び末端を有し、一例として、その始端に前記混合燃料が流入される流入口３２ｆを形成し、末端に前記混合燃料から発生した水素ガスが流出される流出口３２ｇを形成している。この時、前記流入口３２ｆ及び燃料供給源５０の第１及び第２タンク５１、５３は第３供給ライン８３によって連結されている。そして、前記流入口３２ｆ及び熱源部３１の流出口３１ｇは別途の管路によって連結されている。
【００４５】
前記第１一酸化炭素低減部３３は、水性ガス転換（ＷＧＳ）触媒反応によって改質反応部３２で発生した水素ガス以外にさらに水素ガスを発生させて、前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる反応基板３３ａを含んでいる。このために、前記反応基板３３ａは、前記改質反応部３２から発生した水素ガスの流動を可能にする流路チャンネル３３ｃを有しているとともにこの流路チャンネル３３ｃに触媒層を形成している本体３３ｂを備えている。ここで、触媒層は、前記水素ガスの水性ガス転換反応を促進する通常の水性ガス転換触媒層を含む。そして、流路チャンネル３３ｃの内表面及び触媒層の間には、触媒層を支持する支持層を備えている。前記流路チャンネル３３ｃは、本体３３ｂの一面に対して始端及び末端を有し、一例として、その始端に前記水素ガスが流入される流入口３３ｆを形成し、末端に前記一酸化炭素の濃度が１次的に低減された水素ガスが流出される流出口３３ｇを形成している。この時、前記流入口３３ｆは別途の連結手段、例えば管路または貫通ホールを通じて前記改質反応部３２の流出口３２ｇと連結されている。
【００４６】
前記第２一酸化炭素低減部３４は、第１一酸化炭素低減部３３から排出される前記水素ガス及び空気の選択的酸化（ＰＲＯＸ）触媒反応によって前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる反応基板３４ａを含んでいる。このために、前記反応基板３４ａは、前記水素ガスの流動を可能にする流路チャンネル３４ｃを有するとともにこの流路チャンネル３４ｃに触媒層を形成している本体３４ｂを備えている。ここで、触媒層は、前記水素ガスの選択的酸化反応を促進する通常の選択的酸化触媒層を含む。そして、流路チャンネル３４ｃの内表面及び触媒層の間には、触媒層を支持する支持層を備えている。前記流路チャンネル３４ｃは、本体３４ｂの一面に対して始端及び末端を有し、一例として、その始端に前記水素ガスが流入される流入口３４ｆを形成し、末端に前記一酸化炭素の濃度が２次的に低減された水素ガスが流出されるようにする流出口３４ｇを形成している。尚、前記流入口３４ｆ及び酸素供給源７０の空気ポンプ７１は管路状の第４供給ライン８４によって連結され、前記流出口３４ｇ及び下記で説明するスタック１０は第５供給ライン８５によって連結設置されている。そして、前記流入口３４ｆ及び第１一酸化炭素低減部３３の流出口３３ｇは別途の連結手段、例えば管路または貫通ホールによって連結されている。
【００４７】
このような熱源部及び改質反応部を構成する各反応基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａの本体３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂのうちの少なくとも一つは、Ａｌ及びＦｅの合金からなっており、好ましくは、全てがＡｌ及びＦｅの合金からなっている。また、各反応基板のうちの少なくともいずれか一つがＡｌ及びＦｅの合金からなる場合には、その他はシリコン、ガラス、またはステンレスから選択されるいずれか一つの素材からなることができる。
【００４８】
本発明で、前記Ａｌ及びＦｅの合金比率は１０:９０乃至９０:１０であるのが好ましく、その合金比率が前記範囲未満であれば、アルミナ層を形成するのが難しいという問題点があり、前記範囲を超えれば、改質反応器の機械的強度が低下するという問題点がある。
【００４９】
また、このような各反応基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａの本体３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂは、一例として、所定の幅及び長さを有する四角形のプレート状に形成しているが、前記本体３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂは前記のような四角形のプレート状に限定されず、多様な形態に変更することができる。
【００５０】
前記改質器は、流路を除く部分を予め溶接して、酸素雰囲気下で高温熱処理して形成されるのが好ましい。
【００５１】
一方、本発明の実施例によると、図１及び図２に示したように前記熱源部３１、改質反応部３２、及び一酸化炭素低減部３３、３４の積層構造からなる改質器３０を備えていることに限定されず、第１変形例として、熱源部３１及び改質反応部３２の積層構造からなる改質器３０を備えることができる。そして、本発明の実施例に対する第２変形例として、前記改質器３０は、熱源部３１、改質反応部３２、及びいずれか一つの一酸化炭素低減部３３、３４の積層構造からなることもできる。また、第３変形例として、前記改質器３０は、熱源部３１がバーナーのような通常のヒーターであることもできる。さらに、第１及び第３変形例の場合、熱源部３１が改質反応部３２の下側に位置し、改質反応部３２の上面に蓋部３５が結合されることができる。そして、第２変形例の場合、熱源部３１を中心にその上側に改質反応部３２が位置し、熱源部３１の下側にいずれか一つの一酸化炭素低減部３３、３４が位置して、改質反応部３２の上面に蓋部３５が結合されることができる。
【００５２】
図３は図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。
図１及び図３に示すように、本システム１００に適用されるスタック１０は、前記のような構造の改質器３０から生成された水素ガス及び空気中に含まれている酸素の酸化/還元反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部１１を含んでいる。
【００５３】
各々の電気生成部１１は、電気を発生させる単位セルを意味し、改質ガス及び空気中の酸素を酸化/還元させる膜/電極接合体（ＭＥＡ）１２、及び改質ガス及び空気を膜/電極接合体１２に供給するためのバイポーラプレート（ＢｉｐｏｌａｒＰｌａｔｅ）１６からなっている。
【００５４】
このような電気生成部１１は、膜/電極接合体１２を中心に置いて、この両側にバイポーラプレート１６が各々配置されている。そして、スタック１０は、前記のような複数の電気生成部１１が連続的に配置されることによって構成されている。ここで、スタック１０の最外側に各々位置するバイポーラプレート１６は、エンドプレートになっている。
【００５５】
前記膜/電極接合体１２は、両側面をなすアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が置かれた通常のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の構造からなっている。アノード電極は、バイポーラプレート１６を通じて改質ガスの供給を受ける部分であって、酸化反応によって改質ガスを電子及び水素イオンに変換する触媒層、電子及び水素イオンの円滑な移動のための気体拡散層（ＧＤＳ）を含んで構成されている。カソード電極は、バイポーラプレート１６を通じて空気の供給を受ける部分であって、還元反応によって空気中の酸素を電子及び酸素イオンに変換する触媒層、電子及び酸素イオンの円滑な移動のための気体拡散層を含んで構成されている。そして、電解質膜は、厚さが５０〜２００μｍである固体ポリマー電解質であって、アノード電極の触媒層で生成された水素イオンをカソード電極の触媒層に移動させるイオン交換の機能を有している。
【００５６】
前記バイポーラプレート１６は、膜/電極接合体１２のアノード電極及びカソード電極を直列に接続する伝導体の機能を有する。そして、バイポーラプレート１６は、膜/電極接合体１２の酸化/還元反応に必要な改質ガス及び空気をアノード電極及びカソード電極に供給する通路の機能も有する。このために、バイポーラプレート１６の表面には、膜/電極接合体１２の酸化/還元反応に必要なガスを供給する流路１７を形成している。
【００５７】
より具体的に、前記バイポーラプレート１６は、膜/電極接合体１２を間に置いてその両側に各々配置されて、膜/電極接合体１２のアノード電極及びカソード電極に密着されている。そして、バイポーラプレート１６は、膜/電極接合体１２のアノード電極及びカソード電極に各々密着される密着面に、アノード電極に改質ガスを供給してカソード電極に空気を供給するための流路チャンネル１７を形成している。
【００５８】
各々のエンドプレート１３は、スタック１０の最外側に各々配置されていて、前記のようなバイポーラプレート１６の機能を行うと共に、複数の電気生成部１１を密着する機能も有している。各々のエンドプレート１３は、膜/電極接合体１２のアノード電極及びカソード電極のうちのいずれか一つの電極に密着されている。そして、膜/電極接合体１２に密着されるエンドプレート１３の密着面には、前記いずれか一つの電極に改質ガス及び空気のうちのいずれか一つを供給するための流路１７チャンネルを形成することもできる。
【００５９】
そして、膜/電極接合体１２に密着されるエンドプレート１３の密着面には、前記いずれか一つの電極に水素ガス及び空気のうちのいずれか一つを供給するための流路チャンネル１７を形成している。
【００６０】
また、エンドプレート１３は、いずれか一つの流路チャンネル１７に改質器３０から生成された水素ガスを注入するためのパイプ状の第１供給管１３ａ、もう一つの流路チャンネル１７に空気を注入するためのパイプ状の第２供給管１３ｂ、複数の電気生成部１１で最終的に未反応で残った水素ガスを排出させるための第１排出管１３ｃ、前記電気生成部１１で最終的に未反応で残った空気を排出させるための第２排出管１３ｄを備えている。
【００６１】
第１供給管１３ａは、前記第５供給ライン８５を通じて改質器３０の第２一酸化炭素低減部３４と連結されている。そして、第２供給管１３ｂは前記空気供給ライン８６を通じて空気供給部７０と連結されている。
【００６２】
前記のように構成された本発明の実施例による燃料電池システムの動作を、詳細に説明する。
まず、燃料ポンプ５５を駆動して第１タンク５１に保存された液体の燃料を第１供給ライン８１を通じて熱源部３１に供給する。これと同時に、空気ポンプ７１を駆動して空気を第２供給ライン８２を通じて熱源部３１に供給する。そうすると、前記液体の燃料及び空気が熱源部３１の流路チャンネル３１ｃに沿って流動しながら酸化触媒反応を起こす。従って、熱源部３１ではこのような酸化触媒反応によって所定の温度の反応熱を発生させる。これで、熱源部３１から発生する熱エネルギーが改質反応部３２、一酸化炭素低減部３３、３４に伝導されて改質器３０全体を予熱する。
【００６３】
このように改質器３０の予熱が完了すれば、第１ポンプ５５を駆動して第１タンク５１に保存された液体の燃料及び第２タンク５３に保存された水を第３供給ライン８３を通じて改質反応部３２に供給する。
【００６４】
次に、前記液体の燃料及び水の混合燃料が改質反応部３２の流路チャンネル３２ｃに沿って流動しながら前記熱源部３１から供給される熱エネルギーによって気化されるようになる。そうすると、改質反応部３２は、水蒸気改質触媒反応によって前記気化された混合燃料から水素ガスを発生させる。さらに説明すると、前記改質反応部３２は、水蒸気改質触媒反応によって混合燃料の分解反応及び一酸化炭素の変性反応が同時に進められて、二酸化炭素及び水素を含む水素ガスを生成する。この時、前記改質反応部３２は、一酸化炭素の変性反応を完全に行うのが難しく、副生成物として一酸化炭素が微量含まれている水素ガスを生成する。
【００６５】
次に、前記一酸化炭素が微量含まれている水素ガスが第１一酸化炭素低減部３３の流路チャンネル３３ｃに沿って流動するようになる。そうすると、第１一酸化炭素低減部３３は、水性ガス転換触媒反応によってさらに水素ガスを発生させて、水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる。
【００６６】
次に、第１一酸化炭素低減部３３の流路チャンネル３３ｃを通過した前記水素ガスが第２一酸化炭素低減部３４の流路チャンネル３４ｃに沿って流動するようになる。これと同時に、空気ポンプ７１を駆動して空気を第４供給ライン８４を通じて第２一酸化炭素低減部３４の流路チャンネル３４ｃに供給する。そうすると、第２一酸化炭素低減部３４では、選択的酸化触媒反応によって水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を２次的に低減させて、前記水素ガスを流出口３４ｇを通じて排出する。
【００６７】
次に、前記水素ガスを第５供給ライン８５を通じてスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。これと同時に、空気ポンプ７１を駆動して空気を第６供給ライン８６を通じてスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。
そうすると、前記水素ガスは、バイポーラプレート１６の水素通路を通じて膜/電極接合体１２のアノード電極に供給される。そして、空気は、バイポーラプレート１６の空気通路を通じて膜/電極接合体１２のカソード電極に供給される。
【００６８】
従って、アノード電極では酸化反応によって水素ガスを電子及びプロトン（水素イオン）に分解する。そして、プロトンが電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じて移動せずにバイポーラプレート１６を通じて隣接する膜/電極接合体１２のカソード電極に移動するようになり、この時、電子の流動で電流を発生させ、付随的に熱及び水を発生させる。
【００６９】
前記で、本発明の改質器の構造について説明したが、本発明の改質器の構造は前記積層構造に限定されず、円筒形構造からなることもできる。つまり、前記で説明したように、熱源部及び改質反応部を含む改質器の形態が所定の長さ、幅、及び厚さを有するほぼ四角状であれば、積層構造が好ましく、その形態が円形チューブ状であれば、円筒形構造が好ましい。
【００７０】
以上に、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
【図２】図１に示した改質器の主要部分を示した分解斜視図である。
【図３】図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０  スタック
３０  改質器
３１  熱源部
３２  改質反応部
３３、３４  一酸化炭素低減部
３１ｆ、３２ｆ、３３ｆ、３４ｆ  流入口
３１ｇ、３２ｇ、３３ｇ、３４ｇ  流出口
５０  燃料供給部
７０  空気供給部
１００  燃料電池システム
【図１】
2006012817.tif 000003
【図２】
2006012817.tif 000004
【図３】
2006012817.tif 000005